基于藍牙單片機的鋅煙除塵控制系統

摘要

　　近年來各地的霧霾天氣多發，而主要的源頭之一就是工業廢氣、廢煙、廢塵等的排放，特別是高污染、高耗能的熱鍍鋅行業的鋅煙塵的排放對環境的影響。然而，工業推動著經濟的進步，不能對其進行簡單的關閉處理，而應該探尋一條有效可行的環保治理方案來平衡經濟和環境之間的關系，走出一條可持續發展道路。目前，在鋅煙環保治理過程中，布袋除塵器因其高過濾、低故障等特點被廣泛應用在鋅煙塵的捕集和處理上。在該處理過程中，影響布袋除塵器效率的因素主要有濾袋的材質和控制技術，在濾袋材質使用方面，各個企業相差不大，但在控制技術上，不管是由基于集成電路的脈沖控制儀的控制、基于PLC組合的控制或是由基于工控機的控制都需要現場接觸這些設備，人機界面不夠友好。針上述問題，通過對鋅煙除塵控制系統的研究與分析，設計了一套基于藍牙單片機的鋅煙除塵系統。在該控制系統中，主要做了以下工作：

　�。�1）系統硬件電路設計。以CC2541為主控芯片，完成了控制系統的硬件設計，包括主控制器的最小系統完整電路、鋅煙氣壓檢測電路、鋅煙溫度檢測電路、電磁閥控制電路等硬件電路設計。其中還采用RS485接口與變頻器連接進而來控制引風機的電機，并分別采用RS232接口、藍牙4.0協議與觸摸屏、上位機手機進行通訊。同時在AltiumDesigner上完成了系統的原理圖設計及PCB的繪制，在電路板的焊接完成之后對其硬件進行了調試。

　�。�2）系統軟件設計。在IAR軟件上完成了下位機程序的編寫及調試，包括系統的主控制程序、各個功能子程序及與上位機通訊程序；在Matlab上完成了電磁閥自動噴吹清灰的仿真分析；在Androidstudio上完成了上位機手機APP的界面設計和系統參數設置程序的編寫。

　�。�3）系統的運行和調試。利用搭建的實驗平臺對系統進行了硬件測試、功能測試和系統調試，驗證了本系統設計的各個功能模塊的可行性。

　　關鍵詞：鋅煙除塵系統；藍牙單片機；手機APP;自動噴吹清灰

Abstract

　　In recent years, haze weather occurs more frequently than before, and one of the main reasons is the discharge of pollutants such as industrial waste gas, waste smoke, and waste dust, especially the environmental impact of zinc dust emission from the hot-dip galvanizing industry, which is of high pollution and high energy consumption. However, industry promotes economic progress and cannot simply be closed. Instead, an effective and feasible environmental protection program should be explored to balance the relationship between the economy and the environment, to embark on a path of sustainable development. At present, during the environmental managment of zinc smoke, bag filter is widely used in the collection and treatment of zinc dust due to its high filtration and low failure rate. In the process, the factors affecting the efficiency of the bag filter are mainly the material and control technology of the filter bag. In terms of the use of the filter bag material, there are not much difference among enterprises, but the control technology,whether it is based on the control of IC pulse controller, PLC combination-based control or industrial computer-based control, requires on-site contact with devices, and the human-machine interface is not friendly enough. Based on the above issues, a zinc-smoke dust removal system based on Bluetooth single-chip microcomputer （SCM） was designed through the research and analysis of the zinc dust removal control system. In this control system, the main work is as follows:

　�。�1）Circuit design of system hardware.With CC2541 as the main control chip, the hardware design of the control system is completed, including the complete circuit of the main controller of the smallest system, the zinc smoke pressure detection circuit, the zinc smoke temperature detection circuit, the solenoid valve control circuit and other hardware circuit designs. The RS485 interface is also connected with the inverter to control the motor of the induced draft fan. The RS232 interface and the Bluetooth 4.0 protocol are respectively used for communication with the touch screen and the upper mobile phone. At the same time, the schematic design and PCB drawings of the system were completed on Altium Designer, and the hardware was debugged after the board was soldered.

　�。�2）System software design.Writing and debugging of the lower computer program was completed on the IAR software, including the main control program of the system, sub-program of each function and the program for communication with the host computer. Simulation analysis of automatic injection and cleaning of solenoid valve was completed on Matlab. The interface design and system parameter setting program of the host computer's mobile phone application was completed on Android studio.

　�。�3）System operation and debugging.Hardware test, function test and system debugging of the system were carried out by using the built experimental platform to verify the feasibility of each function module designed for the system.

　　Key Words: Zinc Smoke Dust Removal System; Bluetooth SCM; Mobile Phone Application; Automatic Blowing And Cleaning;

目 錄

　　1緒論

　　1.1選題的背景及意義

　　實施改革開放政策以來，在國家的大力扶持下，工業得到了蓬勃發展。但是，大多數企業尤其是熱鍍鋅等傳統產業，仍然遵循上個世紀的生產方式和加工方式，存在能耗高、污染嚴重等問題。為了加強對環境污染企業的管控，國家頒布了《工業爐大氣污染物排放標準》（GB9078-1996）[1].其中第二個標準規定，對于非金屬熔化和冶煉爐產生的廢氣，有組織可以排放高達200mg/m3的煙氣濃度，而無組織的最高可達5mg/m3,對工業上排放的煙囪高度也有要求，最低也要達到15米。根據《大氣污染物綜合排放標準》，粉塵最大允許排放濃度為120mg/m3,最高排放率為3.5kg/h[2],無組織排放最高濃度為1.0mg/m3,噪聲排放標準晝夜不超過65dB.本標準為企業改變原有生產方式提供了切實可用的途徑。

　　我國在提出《中國制造2025》之后，對那些仍在使用上世紀設備的企業來說，這是一個警鐘[3].通過制定相關的環境保護法規，可以有效提高環境治理能力，但它也需要相應的科學技術和設備的支持，關于除塵設備的研究都具有重要意義[4].近年來，隨著國家工業化進程不斷向前發展，熱鍍鋅因其具有鍍鋅層厚且均勻、附著力強、使用壽命長等優點，使得市場對鍍鋅產品的需求量逐漸增大，因而全國不少企業增加了熱鍍鋅產品的生產。熱浸鍍鋅是將生銹的鋼構件浸500℃左右的液態鋅鍋內，經過各種物理化學反應，在其鋼構件表面涂覆上一層厚的純鋅，從而達到防腐的目的[5].這種防腐的工藝在強腐蝕和強霧氣等的環境中應用比較廣泛。但在浸入鋼構件之前，在其表面涂的助鍍劑含有氯化銨成分，經汽化會產生大量的白煙，其中主要成分是氧化鋅煙塵。有研究顯示：年產三萬噸的中型鍍鋅廠要產2500-300kg/年的煙塵顆粒，600-800kg/年的鋅及其氧化物。熱鍍鋅產生的煙塵如圖1.2所示。對長期工作在操作間的鍍鋅人員的身體構成很大的危害，同時又對環境造成嚴重的污染，這是目前亟待解決的難題。

　　在實際生產中，布袋除塵器對粉塵的處理能力超過99.9%,最低排放濃度限制在5mg/m3以下[6].其的處理能力很合適PM2.5、鋅煙等顆粒物的除塵[7].但是傳統的布袋式除塵器不僅成本高、操作復雜、實時性低、鋅煙的溫度及氣壓需借助輔助儀表來檢測。在對除塵系統進行操作時工作人員需要到鍍鋅車間內，這不僅浪費了人力，而且對長期工作在鍍鋅廠的人的身體造成很嚴重的傷害。如何利用新技術使布袋除塵器的操作更加簡單、控制能力更加強大、實時性更好[8],同時避免與鋅煙塵的長期接觸，是目前鋅煙除塵技術研究的主要內容。

　　1.2國內外發展現狀

　　1.2.1布袋除塵器的國內外發展現狀

　　自1886年德國生產布袋除塵器以來，已經有130年了。后來，在美國、日本等發達國家的推動下，它被廣泛應用于工業粉塵除塵，尤其是熱鍍鋅除塵領域[9].目前，日本、澳大利亞、美國等發達國家對布袋除塵器系統的控制大致可以分為兩個部分：第一，作為生產自動化的一部分，布袋除塵器系統的控制已經納入生產過程。整個系統由上位機和下位機相互配合來完成控制，在控制過程中，把計算機作為上位機，而下位機由可編程邏輯控制器來控制。第二種是使用具有特殊功能的芯片來實現小型除塵器的控制，但對該芯片的集成度及可靠性要求較高。目前，我國布袋除塵系統中使用的控制裝置可分為以下幾類：

　�。�1）基于集成電路的脈沖控制儀

　　70年代，我國開始把脈沖控制儀引入到布袋除塵器的控制上來。這種控制儀的時序脈沖采用邏輯集成電路來控制，相比現在的控制技術，由這種控制儀控制的布袋除塵器的功能相對比較簡單[10],其只具有定時脈沖清灰功能。由該控制儀控制的除塵器的工作環境較差，其脈沖控制儀中使用的集成電路芯片不受保護。其集成電路芯片很容易受到灰塵、溫度和電磁波的干擾和影響，很難有效部署，系統的可靠性大大降低。因此這種脈沖控制儀僅適用于只有一個脈沖控制要求的小型除塵器。

　�。�2）基于PLC控制的除塵系統

　　可編程序控制器（PLC）是工業自動化的支柱之一，以可靠性著稱[11].該控制器下的系統不僅可以長期在惡劣的環境下運行，且可以運行穩定、可靠。在軟、硬件的控制上，與工業控制計算機相比，其更側重于生產過程的自動化[12].一般工業上有兩種，一種是針對時序邏輯的控制的小型可編程序控制器，其主要實現數十點到數百點之間的控制。而另一種是針對數千個點的控制的大型可編程序控制器，其中包括對基本的開關量輸入輸出模塊、通信模塊、熱電溫度輸入模塊、模擬量輸入輸出模塊等的控制

　　基于這些優點，目前由PLC控制的除塵系統被許多大中型布袋除塵系統所采用。但由于由其控制的布袋除塵系統的氣體溫度和壓力測量功能需要額外的輔助儀器，這將大大增加成本，而且故障點多，控制柜布局也繁瑣。

　�。�3）基于單機測控系統的除塵系統

　　單機測控系統主要是由以工控機為主機的測控系統所組成[13].其增加了先進的編程語言，并且得到更多軟件的支持，使得以動態方式來仿真整個工業過程變得及其簡單。由于省去了二次儀表設備，大大降低了監測參數較多的系統投資。然而，對于不同類型的氣體，要選擇相應類型的濾袋，這需要頻繁更換，因此濾袋的消耗量相對較大。并且濕度高的含塵氣體在溫度較低時會形成露水而糊袋，所以該除塵系統對進入濾袋的氣體的濕度也有一定的要求[14].

　　1.2.2布袋除塵器的發展趨勢

　�。�1）小型布袋除塵控制器

　　考慮到小型除塵系統比較容易實現，對功能要求比較少且簡單，未來市場可能更多實現大批量生產。給該布袋除塵控制器通上電源、接上負載，不需要特別維護和調試就可以實現運行，方便、高效、省力[15].通過對脈沖控制專用芯片的深入研究，不久的將來這種小型除塵控制器的廣泛應用或將成為可能。

　�。�2）實現除塵系統控制的"智能化"

　　實現高度的自動化是現代大規模生產的目標。對于大型除塵系統，除常規的控制要求外，還應能在工況變化時自動識別出控制對象的變化并做出相應的調整[16].當事故發生時，它可以自動判斷并進行處理，而不只是發出警報�？梢灶A見，在不久的將來，以移動智能終端為上位機，高速單片機為下位機的智能控制系統將很快得到應用。

　　1.2.3藍牙技術的發展現狀

　　藍牙技術經過多年的研究開發，得到了很大的進步，已經成為世界各國工業和研究機構青睞的一種無線通信技術。藍牙SIG是一個全球藍牙組織[17],其主要目的是通過采用技術標準的宣傳策略來促進藍牙技術的發展。其已經成為一個相當大的工業高科技標準化組織，其中有2000家設備制造商已成為其全球成員，這些制造商都支持藍牙技術[18].一個開放的、全球統一的技術規范得到了業界的廣泛關注，這在過去很少看到。藍牙是一種短程無線通信技術，可以取代數據線，它還支持對象之間通信[19].

　　其工作在2.4GHz頻段，以每秒10Mb的速率進行數據傳輸，同時還可以進行數據和語音的傳輸，其與所連接到的所有設備都可以實現共享彼此的資源。藍牙技術的應用是非常廣泛的，具有很大的潛力。它可用于無線設備（如手持式計算機、移動電話、智能電話、無線電話）、圖像處理設備（攝像機、打印機、掃描儀）、安全產品（智能卡、身份識別、計費管理、安全檢查）、消費娛樂（耳機、MP3、游戲）、汽車產品（全球定位）系統[20]、防抱死制動系統、電力系統及安全等方面。在氣囊、家用電器（電視、冰箱、烤箱等）領域、微波爐、音響、錄像機、健身、建筑、玩具等市場上，藍牙行業持續增長。2002年，藍牙產品售出400多件，達到3000萬件。2003年，藍牙產品的銷量是2002年的兩倍。In-Stat/MDR預測藍牙市場將在2007年擴大到6億臺。愛立信技術許可總裁馬里·馬里亞霍斯蘭德（MaliMariakhorsand）表示：藍牙是少數仍在如此艱難的經濟環境中發展的技術之一[21].

　　任何一項新技術從產生到發展都要經歷一個漫長的過程，藍牙技術也例外[22].從以往來看，將技術標準和知識產權共享技術統一，會帶來很大好處。通過行業的共同努力，相信在不遠的將來，藍牙技術的潛力是無法想象的。

　　1.3論文主要研究內容

　　通過對國內外布袋除塵控制技術的發展現狀和趨勢進行研究，對布袋除塵系統的工作原理進行分析，對藍牙技術的現狀及趨勢進行探索。提出將藍牙技術引入到布袋除塵的控制中，并把其應用到對鍍鋅廠的鋅煙除塵領域上，進而促進了本文的基于藍牙單片機的鋅煙除塵系統的研究。論文完成了除塵系統的軟件、硬件的設計。在硬件方面完成了主控電路、鋅煙溫度及鋅煙出入口氣壓采集電路、電磁閥輸出電路、引風機電路、觸摸屏電路等的設計和PCB制板[23].軟件方面完成了系統主程序、子程序以及手機APP程序的編寫。在這個過程中實現了控制系統的模數轉換、參數顯示及界面操作。通過人機交互界面和手機APP可以對現場的運行狀態進行遠程監控，對現場的具體鋅煙溫度、鋅煙的出入口氣壓、引風機轉速、電磁閥噴吹壓力進行分析判斷。針對普通除塵系統不能跟隨具體工作狀況做出相應的電磁閥噴吹清灰頻率參數的自改變，引入了自動清灰控制理論及方法，設計了基于壓差的電磁閥噴吹清灰頻率自動控制程序，以改變電磁閥的噴吹清灰動作，讓該除塵系統能一直運行在穩定的壓差范圍內；為了在系統運行過程中發生故障能及時準確的處理，本系統還對故障設計了故障報警系統。

　　1.4結構安排

　　本文的具體安排如下：

　　第一章：緒論。對本文的研究背景和意義進行了介紹，對國內外布袋除塵器和藍牙技術的發展現狀和趨勢進行了闡述，對本文的研究內容和結構進行了說明。

　　第二章：鋅煙除塵系統的方案設計。對布袋式鋅煙除塵系統的結構和工作原理進行了分析，對其功能進行了簡要說明，對提出的三種不同方案進行了詳細比較分析，并對最終確定的基于藍牙單片機的鋅煙除塵系統方案及各子系統的控制方案進行了詳細闡述。

　　第三章：鋅煙除塵控制系統的硬件設計與實現。對系統的主控制器及各個子模塊的硬件設計進行了介紹，并對系統的原理圖設計和印刷電路板的繪制進行了簡要說明。

　　第四章：鋅煙除塵控制系統的軟件設計。對系統的主程序及各個子程序設計進行了詳盡說明。

　　第五章：鋅煙除塵系統的測試與結果分析。對系統的硬件、相關功能及模擬運行的調試進行了介紹。包括主控制器的功能測試、藍牙連接、藍牙通信功能測試及系統藍牙通信距離測試。

　　第六章：總結及展望。對本文所研究的內容進行了分析總結，對本文提出的設計做了展望，為未來的研究方向提供一些參考。

　　2 鋅煙除塵系統的方案設計

　　2.1 鋅煙除塵系統的結構及工作原理

　　2.2 系統的方案設計與實現

　　2.2.1 需求分析

　　2.2.2 系統方案對比

　　2.2.3 系統整體設計

　　2.3 子系統控制方案設計

　　2.3.1 鋅煙的除塵清灰系統

　　2.3.2 鋅煙除塵的通訊系統

　　2.3.3 鋅煙采集系統

　　2.3.4 故障報警系統

　　2.4 本章小結

　　3 藍牙鋅煙除塵系統硬件實現

　　3.1 硬件平臺總體方案設計

　　3.2 藍牙控制器最小系統設計

　　3.2.1 藍牙芯片選擇

　　3.2.2 藍牙的巴倫匹配電路設計

　　3.2.3 藍牙單片機的天線設計

　　3.2.4 藍牙單片機最小系統完整電路設計

　　3.3 系統的外圍硬件電路設計

　　3.3.1 電源供電電路

　　3.3.2 氣壓檢測電路設計

　　3.3.3 鋅煙溫度檢測電路設計

　　3.4 引風機電機控制電路設計

　　3.3.5 電磁閥控制電路設計

　　3.3.6 觸摸屏接口電路的設計

　　3.4 系統的 PCB 設計

　　3.5 本章小結

　　4 鋅煙除塵系統的軟件設計與實現

　　4.1 整個除塵系統的操作流程

　　4.2 藍牙單片機程序設計

　　4.2.1 藍牙單片機的軟件開發環境

　　4.2.2 OSAL 系統初始化與協議棧任務創建

　　4.2.3 串口通訊程序設計

　　4.2.4 A/D 采集程序設計

　　4.2.5 與手機通信程序設計

　　4.2.6 自動噴吹程序設計

　　4.3 手機 APP 程序設計

　　4.3.1 手機端開發環境的搭建

　　4.3.2 手機 UI 設計

　　4.3.3 手機軟件編程思想及步驟

　　4.4 系統界面簡介

　　4.5 本章小結

　　5 系統測試與結果分析

　　5.1 硬件實現與調試

　　5.2 各模塊的功能性測試

　　5.3 藍牙功能測試

　　5.3.1 藍牙連接測試

　　5.3.2 藍牙通信功能測試

　　5.3.3 藍牙通信距離測試

　　5.4 系統整體運行

　　6結論與展望

　　6.1結論

　　本文針對鋅煙除塵控制界面不友好問題，設計了一套以CC2541藍牙單片機為主控器的鋅煙除塵控制系統。該主控芯片為增強型8051芯片，其內部集成了藍牙4.0射頻電路，并且具有豐富的和廣泛的傳感器接口，用于系統的數據處理、外設控制、通訊控制、算法執行等。充分發揮了該處理器的強干擾、多外設、低功耗等優勢。與此同時，TI公司針對CC2541的IAR編譯環境提供了專門的協議棧，大大降低了系統的軟件開發難度。

　　本文在硬件方面上，主要完成了該鋅煙除塵系統的主控制器及各個子模塊硬件電路設計。在軟件方面上，主要完成了該系統的主控制、各個子模塊及手機通信軟件程序設計；同時為了使鋅煙除塵系統能根據運行狀況進行相應的電磁閥清灰頻率參數的自改變，引入了其的自動控制方法，進行了基于穩定氣壓差的電磁閥噴吹清灰頻率的自改變，達到自動除塵效果。本文設計的異常報警系統功能比較完善，通過該報警系統可以實現鋅煙溫度超限、鋅煙氣壓差超限、系統運行異常等異常報警。外置RS232串口觸摸屏，可將異常信息送至該觸摸屏保存以便后續分析。為使人機交互效果良好，還引入了藍牙技術，同時在觸摸屏和手機上對鋅煙除塵系統的整個運行狀態進行顯示和控制。通過上面的硬件和軟件實現，最終達到了預先對該除塵系統的各項功能要求。之后，完成了該系統的硬件、相關功能及通信距離等測試。

　　6.2展望

　　目前，本系統已完成了設計的各種要求，但后續還需改進和解決。其主要工作有：

　�。�1）目前，Android手機驅動程序庫是由制造商自己定義的，開發者不得而知，大大增加了開發的難度；

　�。�2）本文設計的通信系統僅連接了一個從設備，以后應該通過多線程或網絡技術實現一對多的通信模式。

　�。�3）本文發射機選用的是Android手機，在論文完成時間的限制下，沒有對影響傳輸距離的因素如傳輸功率、天線等深入研究。下一步的工作將從這兩個方面著手，對BLE模塊終端設計高增益的接收天線進行深入研究，并且利用新的技術來提高接收靈敏度，以提高藍牙的傳輸距離。目前，藍牙5.0協議已經問世，在未來，藍牙遠程傳輸將會得到更廣泛的應用。

　�。�4）在智能移動終端應用程序的設計中，只實現了數據傳輸，沒有實現數據的保存和分析。在接口設計中，數據傳輸形式比較單一，視覺效果不太好。下一步將改善界面設計，以此達到更好的視覺效果，同時增加如發送圖片和音頻等藍牙功能，進一步優化安卓手機的應用。本文的設計存在一些不足，隨著藍牙技術的不斷深入和創新，藍牙技術與移動智能終端的結合將越來越廣泛地應用于各種工業設備中。

致謝

　　不知不覺三年的研究生學習生涯就已到了最后，回顧這三年的研究生生活，我非常慶幸地遇到了我的導師鄧成中副教授。這三年來，他對我的學術研究起到了指導性的作用。三年時間說長不長，說短不短，在這三年的時光里，我對生活的認知和對待做事態度都有了很大的提升，這些都歸功于鄧老師。

　　首先，我要對敬愛的鄧老師表示深切的感謝和崇高的敬意。在生活中，鄧老師非常風趣幽默，讓我能在非常輕松的氛圍中更好的生活；在學習上，他知識豐富，經常閱讀許多科技方面前沿的文獻，在遇到問題時總是能把理論知識和實踐經驗相融合，耐心地指導我，給我指明了研究方向，帶給我很多技術想法；在工作中，鄧老師總以謙遜的態度對待每項工作，對實際項目中遇到的每個問題都非常仔細、小心、好學，親臨現場、言傳身教、以身作則。在論文完成的過程中，鄧老師從論文的框架到論文的具體內容，進行了全程的精心指導。

　　其次，我要感謝實驗室的師弟師妹們，袁興、羅倩，在完成論文的過程中，由于你們的幫助已，使我的論文有很大改觀，也感謝你們能抽出寶貴的科研時間來幫我改掉很多小細節，很榮幸與你們共同學習過，非常感謝。然后，我要感謝我的好朋友，以及2016年級的所有同學和朋友，特別是敖太平和上一屆的師兄秦洪偉和張果。在完成論文的過程中，你們的實質性建議是非常重要的。同時，我也非常感謝你們在我的生活和學習中給予的鼓勵和幫助。

　　最后，我要特別感謝我的父母和家人。感謝你們一路的支持與鼓勵，在求學路上，不知多少次我失望過、徘徊過、絕望過，是你們一路無怨無悔的陪伴與包容，才能讓我在自己喜歡的道路上繼續前進。

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